纳米纤维素的制备及其在Pickering乳液中的应用研究进展

张欢，戴宏杰，2，*，陈媛，余永，朱瀚昆，王洪霞，付余，张宇昊，2，*

（1.西南大学食品科学学院，重庆400715；2.软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室，重庆400715）

纤维素由β-1，4-糖苷键线性连接的脱水葡萄糖单元组成，是自然界中含量最丰富的天然亲水性聚合物，广泛来源于农业废弃物如木材、小麦、稻草、棉花和椰子纤维等[1-2]。纳米纤维素（nanocellulose，NC）是指直径在1 nm～100 nm左右的超微细纤维素[3]，从农业废物中生产纳米纤维素可以大大提高这些废弃物的经济价值。纳米纤维素作为天然聚合物，其同时具有宏观纤维素及纳米材料的优异性能，如可再生、亲水性、低热膨胀系数、可修饰和比表面积大等特征[4]，已成为一种极具发展潜力的功能纳米材料。目前常见的纳米纤维素制备方法主要有机械处理、酸水解、细菌合成等。

传统乳液通过表面活性剂进行稳定，而Pickering乳液通过固体颗粒代替乳化剂稳定乳液，具有稳定性好、可调控、环境相容性好和抗奥氏熟化等优势特点，在食品、医药和化妆品等领域具有广泛的应用前景[5]。目前研究较多的稳定Pickering乳液的固体粒子[6-9]，主要有蛋白质类粒子（如小麦醇溶蛋白、大豆分离蛋白和乳清分离蛋白等）、多糖类粒子（如淀粉、纤维素和壳聚糖等）和无机粒子（如黏土、石墨烯和Fe3O4等）等。其中纤维素由于其天然绿色属性、来源广泛以及可再生、可生物降解等优点，引起了学者们的广泛关注，尤其是具有更精细结构的纳米纤维素在稳定Pickering乳液研究中已经展现出良好的应用效果和发展前景[10]。本综述中主要总结了纳米纤维素的制备方法及其在Pickering乳液中的应用研究。

1 纳米纤维素的分类及制备方法

1.1 纳米纤维素的分类

按照纳米纤维素的尺寸、来源以及制备方法差异可将其分为3种类型：微纤化纤维素（microfibrillated cellulose，MFC）、纳米微晶纤维素（nanocrystalline cellulose，NCC）以及细菌纳米纤维素（bacterial nanocellulose，BNC）[11]，如表 1 所示。

表1 纳米纤维素的分类Table 1 Classification of nanocellulose

1.2 纳米纤维素的制备方法

1.2.1 NCC的制备

酸水解法：用强酸催化水解破坏纤维素的无定形区，留下结晶区。常用的酸种类主要有硫酸、盐酸、磷酸及磷钨酸等。酸水解法制备NCC是目前实验室研究使用最广泛的NCC制备方法之一。本课题组戴宏杰等[19]以菠萝皮渣为原料，通过浓度为64%的硫酸水解分离得到平均直径（15±5）nm，长度（189±23）nm 的菠萝皮渣NCC。Kontturi等[20]以棉纤维为原料，采用盐酸蒸汽水解法制备得到长度为100 nm～300 nm、直径为7 nm～8 nm的NCC，其得率高达97.4%，此方法对纤维素基质的形态影响小，不会在纤维素表面引入电荷，降解速度快、产量高，但存在成本高的问题。Vanderfleet等[21]以质量分数为75%的磷酸在120℃下水解棉浆纤维素，制备出长度范围在238 nm～475 nm的NCC，与硫酸水解得到的NCC相比，该研究得到的NCC的热稳定性显著改善，且具有可阻燃性，能够应用于骨架构以促进新骨生长。Lu等[22]以竹浆为原料，通过球磨机械预处理后进一步加入浓度为12.5%的磷钨酸溶液进行水解-球磨耦合处理，得到了直径为25 nm～50 nm、长度为200 nm～300 nm的棒状NCC，结晶度为79.6%，得率高达88.4%。但是酸水解制备NCC的反应步骤比较冗杂且酸使用浓度高，大量的酸和杂质残留在反应体系中，需多次对水解物进行离心洗涤和透析，增加了处理时间及成本。因此，如何降低酸水解制备NCC时所需的酸浓度是当前的一个研究瓶颈。此外一些学者分别从软木、硬木和番茄皮等提取的纤维素纳米晶的透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）图像，如图 1[26]所示，可见因原料来源的不同，制备的纤维素纳米晶的形貌虽存在一些明显的差异，但主要以棒状为主。

图1 不同原料来源CNCs的TEM图像Fig.1 TEM images of CNCs derived

酶解法：采用纤维素酶或者混合纤维素酶催化水解去掉纤维素的无定形区，保留有一定长径比的结晶区。纤维素酶能够选择性地水解纤维素的非结晶区，对纤维素结构的破坏程度比酸水解小。由于纤维素提取原料中通常含有大量木质纤维素，单一纤维素酶很难高效水解，常采用复合纤维素酶制备纳米纤维素。酶解法的工艺条件相对温和、专一性强，但通常需要对纤维素原料进行机械法预处理。此外，酶解的反应条件比较苛刻，对温度、pH值、酶解底物等都有一定要求，提取时需要严格控制条件。Siqueira等[18]以剑麻纤维为原料，利用两种商业纤维素酶酶解，并结合机械处理制备得到NCC。Teixeira等[13]分别以甘蔗渣、未漂白硫酸盐纸浆、桉树全纤维素和纯纤维素为原料，通过湿式盘磨处理，然后在混合纤维素酶的酶解作用下获得直径4 nm～12 nm，长度为500 nm～1500 nm的纳米微晶纤维素。

离子液体法：离子液体是一类在室温或接近室温（低于100℃）下呈液态、完全由离子组成的物质[27]。与传统溶剂相比，离子液体具有不挥发、热稳定性和化学稳定性高、溶解性好、性能可调、易于分离、易回收和可循环使用等特点，被称为“绿色溶剂”[28]，是近年来开发出来的纤维素溶解和加工优良溶剂，其中以其为介质制备NCC也有少量报道。Mao等[23]将微晶纤维素与离子液体1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐（[BMIM]HSO4）混合，置于120℃下搅拌处理24 h，获得的NCC尺寸为：直径（3.6±1.8）nm，长度（146.8±62）nm，得率为48%。Abushammala等[24]以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐（[EMIM][OAc]）直接处理木材，成功制备出了表面部分乙酰化的NCC，分离出的NCC为纤维素Ⅰ型，结晶度为75%。杨仁党等[25]以低强度超声波辅助氨基酸离子液体处理粉碎后的玉米秸秆，成功制备出直径为14 nm～284 nm，长度为79 nm～1 286 nm的NCC。本课题组戴宏杰等[29]从菠萝皮渣提取纤维素，通过离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）离子液体预溶胀和低浓度H2SO4（10%）水解耦合制备了再生NCC，其直径和长度分别为（25±5）nm和（330±28）nm。

除上述提到的制备方式外，2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基 （2，2，6，6-tetramethyl-1-piperidinyloxy，TEMPO）氧化法也越来越多的被用于制备纳米纤维素。TEMPO是一种水溶性的稳定硝酰自由基，能够选择性的将纤维素的C6伯羟基催化氧化，使其转化为羧基酯基团[30]。目前研究较多的是TEMPO/NaBr/NaClO和TEMPO/NaClO/NaClO2这两种体系下氧化纤维素。通过TEMPO介导，能将天然木质纤维素转化为直径3 nm～4 nm，长径比＞150 的纳米纤维素[31]。

1.2.2 MFC的制备

MFC的制备过程通常需要预处理（酶促或氧化等）从原料中提取纤维素，再利用高强的机械外力（如高压均质、微射流、超细研磨等），使纤维素发生切断和细纤维化作用，分离出具有纳米尺寸范围的MFC。下面主要列举高压均质法、微射流法和超细研磨法，这3种方法制备的纳米纤维素的原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）图见图 2[16，32]。

高压均质法：高压均质是利用往复泵将纤维素浆料悬浮液不断泵入一个狭小的空间中，形成空穴效应和高速冲击，悬浮液在此过程中产生撞击、空穴、剪切和湍流涡旋作用，从而达到超微细化纤维素的目的，再经反复循环可制得MFC。HABIBI等[14]以漂白仙人掌皮浆为原料，在压力50 MPa，温度低于95℃时采用高压均质循环15次，可制得直径2 nm～5 nm的MFC。当前影响均质化制备MFC的主要障碍是高能耗。在均质前进行纤维素的纯化和一定程度的细化处理可降低高压均质的能耗。同时研究者发现使用长纤维时容易造成堵塞，这也是均质化有待解决的一个问题。

微射流法：微射流技术是在高压下把纤维素浆料悬浮溶液泵入一个直径在0.2 mm～0.4 mm的Z型管道中，由于浆料悬浮液在Z型管道中受到高速剪切和巨大撞击力，经过多次重复后即可制得MFC。一般来讲，微射流处理过程中物料质量分数范围为0.7%～1.8%，压力范围为 69 MPa～207 MPa[33]。Ferrer等[15]采用微射流技术将棕榈果束纤维解构成纳米原纤化纤维素，并通过使用超压装置制造纳米纸。该研究表明：以微射流处理棕榈果束纤维纸浆获得的MFC，纤维形态均一，且比从漂白木纤维获得的典型MFC性能更加优良。该研究还发现当纤维在没有任何预处理的情况下直接悬浮在水中时，所得悬浮液会完全堵塞微流化器并防止原纤化。Lavoine等[34]指出微射流技术制备纳米纤维素时存在循环次数较多、能耗过高等问题，现阶段在工业化规模生产应用方面仍需要进一步研究。

超细研磨法：超细研磨法的原理是利用磨砂轮旋转产生高强剪切力，打破纤维原料的细胞壁结构和氢键连接，从而实现纤维原料的微纤化及分离单根纤维的目的。通常超细研磨过程中物料质量分数在5%～10%左右[35]，研磨机转数控制在150 r/min～2 500 r/min左右，循环次数在1次～10次左右。Hassan等[16]利用超细研磨法与高压均质技术联用处理稻草浆和蔗渣浆制备得到MFC。其中超细研磨处理能够起到纤维分丝的作用，而高压均质处理能够使纤维尺寸变得更加均一和细小。类似地，超细研磨也存在制备时间长、能耗过多的问题。

图2 高压均质、微射流、超细研磨制备的纳米纤维素AFM图像Fig.2 AFM image of nanocellulose prepared by high pressure homogenization，microfluidic and ultrafine grinding

1.2.3 BNC的制备

BNC是由特定种类的细菌微生物在一定条件下生物诱导合成的纳米纤维素，目前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株是木醋杆菌（Acetobacter xylinum）。Paximada等[36]通过在Hestrin和Schramm液体培养基中30℃和100 r/min～120 r/min下培养微生物2 d来制备细菌纳米纤维素，同时研究了不同时间间隔（未超声和超声1、3、5 min）的超声处理对BNC悬浮液的影响，见图3。

如图3所示，超声对BNC的团聚具有明显的改善作用。BNC作为纳米纤维素的其中一种，其具有较高的结晶度、化学纯度和强持水能力，但其制备周期长，制备条件苛刻，目前还无法在工业上进行大规模生产及应用，研究BNC的高效制备仍是该领域的热点问题之一。

图3 未处理和超声1、3、5 min后的BCN的TEM图和平均宽度Fig.3 TEM images and the width of the untreated BCN and ultrasonicated BCN at different time（1，3，5 min）

2 纳米纤维素在Pickering乳液中的应用

2.1 天然纳米纤维素稳定的Pickering乳液

天然纳米纤维素具有两亲性和纳米级尺寸，可以用于作为天然绿色稳定剂来构建Pickering乳液。Kasiri等[37]通过酸水解从开心果壳中分离NCC，并以NCC为稳定剂，加入玉米油（最终乳液的10%），采用超声均质得到Pickering乳液。将NCC浓度从0.1%提高到1.5%，乳液的耐高温及储存稳定性得到明显提高。天然纳米纤维素构建的Pickering乳液的稳定性同时受到纳米纤维素的电荷和尺寸的影响。Cherhal等[38]采用58 wt%硫酸溶液水解棉绒制备纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals，CNCs），而后通过油/水相比为10/90、20/80和30/70制备含各种浓度的CNCs分散体的3 mL乳液，并在相同条件下比较硫化和脱硫的CNCs的制备的乳液。在NaCl存在下CNCs稳定的Pickering乳液界面处的CNCs层厚度为7 nm，同时CNCs浓度不会影响CNCs层厚度，但会增加CNCs层的致密度，使乳液具有更好的抗聚结性能。而相同条件下中性CNCs（去硫酸酯化）稳定的Pickering乳液界面处的CNCs层厚度增加至18 nm，且由于CNCs大聚集体的存在呈现出多孔和不均匀的界面结构。Kalashnikova等[39]研究了不同纵横比CNCs稳定的十二烷乳液（油/水比：30/70），如图 4所示。

在扫描电子显微镜（scanning electron micros cope，SEM）下观察到短纵横比（13）的CNCs能均匀吸附在乳滴表面，达到100%的覆盖率。虽然高纵横比（160）的CNCs在乳滴表面仅能形成40%的覆盖率，但乳滴表面之间能够通过CNCs的氢键作用相互连接，也形成了乳滴之间相互缠结的稳定乳液体系。Kalashnikova等[40]还研究了通过后硫酸化或脱硫处理调节硫酸水解制备的棉绒CNCs的表面电荷密度，当电荷密度大于0.03 e/nm2时，位于乳液油/水界面（油/水比：30/70）的CNCs之间具有强静电排斥作用，不能有效地稳定油滴形成乳液；而降低CNCs的表面电荷密度（低于0.03 e/nm2）则能够获得稳定的Pickering乳液。

图4 不同长度的纳米纤维素形成的乳液示意图Fig.4 Schematic diagram of emulsions formed from different lengths of nanocellulose

2.2 改性纳米纤维素稳定的Pickering乳液

天然纳米纤维素由于强亲水性而限制了其在Pickering乳液中的应用，通过改性可调节纳米纤维素的亲/疏水性，改善其乳化性能。常见的纳米纤维素改性手段包括表面活性剂吸附、TEMPO氧化、醚化、胺化、酯化、硅烷化和聚合物接枝改性等。Chen等[41]首次报道了利用食品级辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）对纳米纤维素进行简单的表面改性可以很容易地制造具有微小液滴的稳定和凝胶状的Pickering高内相乳液，其中油相体积为80%，其乳液制备过程如图5所示。

因OSA加入的改性发生在相应的酸酐和CNCs的表面羟基之间，能显著增加表面疏水性。Hu等[42]通过阳离子表面活性剂二癸基二甲基溴化铵（didodecyldimethylammonium bromide，DMAB）和十六烷基三甲基溴化铵（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）吸附在CNCs表面上调节其疏水性，加入50%的油相制备乳液，随着CNCs吸附DMAB量的增加，其稳定的Pickering乳液出现了双过渡相转化（O/W→W/O→O/W），而吸附CTAB的CNCs稳定的Pickering乳液没有出现相转化现象。

图5 辛烯基琥珀酸酐改性的纳米纤维素稳定的凝胶状Pickering乳液Fig.5 Gelatinous Pickering emulsion stabilized by octenyl succinic anhydride

2.3 功能性掺杂纳米纤维素稳定的Pickering乳液

越来越多的研究表明，在纳米纤维素稳定的Pickering乳液制备过程中添加其它生物聚合物（如壳聚糖、蛋白质、果胶）和无机粒子（如Fe3O4、氧化石墨烯等）[43-44]可以丰富Pickering乳液的功能性。Zhu等[45]使用 Fe3O4和CNCs稳定W1/O/W2型 Pickering乳液，并成功制备多重空心磁性印迹微球。在W1/O/W2乳液中，使用疏水性的Fe3O4纳米颗粒稳定油（W1/O）液滴中的内部水，通过酸水解棉短绒制备的NCC作为外部O/W2界面上的稳定剂。其制备的磁性印迹微球吸附剂具有热稳定性（低于250℃）和足够的磁敏感度（0.46 emu/g），其对联苯菊酯具有良好的选择性吸附能力。Liu等[43]使用牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）覆盖的CNCs作为有效稳定剂制备水包油型Pickering高内相乳液，大体流程如图6所示。

图6 由牛血清蛋白覆盖的纤维素纳米晶稳定的Pickering高内相乳液Fig.6 Pickering high internal phase emulsions stabilized by protein-covered cellulose nanocrystals

该研究发现少量的BSA（0.01%～0.1%）就能覆盖0.5%的CNCs，以其作为乳化剂产生非常稳定的凝胶状Pickering高内相乳液。试验结果还表明，Pickering高内相乳液的性质如刚度和微观结构可通过改变BSA对CNCs的表面覆盖率或通过改变BSA覆盖的CNC颗粒的浓度来调节。

3 纳米纤维素稳定的Pickering乳液的应用

3.1 在药物递送中的应用

纳米纤维素稳定的Pickering乳液的结构稳定性、生物相容性以及改性赋予的智能响应特性（pH值、温度和磁敏感性等）使其在药物递送中具有重要研究意义[46]。Liang等[47]研究了超声波辅助原位共沉淀法制备的Fe3O4-纤维素纳米晶体（Fe3O4-cellulose nanocrystals，MCNC）纳米复合材料稳定的水包棕榈油型Pickering乳液。合成的MCNC纳米复合材料成功地稳定了Pickering乳液，同时构建的乳液具有双重响应性能（磁性响应和pH值响应性），可作为新一代智能纳米治疗载体，具有生物医学和药物输送的潜力。Paukkonen等[48]利用来自里氏木霉的II类疏水蛋白作为表面活性剂，纳米原纤化纤维素（NFC）用作黏度调节剂以进一步稳定乳液。通过制配该药物乳液制剂，研究HFBII和NFC稳定的乳液对萘普生和布洛芬药物释放的影响，结果表明用低浓度的HFBII和NFC不仅实现乳液的稳定化，且含有HFBII和NFC的制剂被证明在控制药物释放速率方面是有效的，可用作药物缓释或快速释放应用中的乳液稳定剂。Ngwabebhoh等[49]制备并优化了胺化纤维素纳米颗粒稳定的Pickering乳液，并将香豆素和姜黄素包封在该乳液中并保持稳定。该乳液系统在预期治疗中具有良好的生物利用度，显示出优异抗癌和抗菌作用，尤其对革兰氏阴性及阳性菌体现高抑制效率。同时以姜黄素和香豆素负载的Pickering乳液可以是用作抗微生物和抗癌靶向部位的药物系统的有效材料。

3.2 在食品工程中的应用

由食品级的纳米纤维素稳定的Pickering乳液也具有食品应用的潜力。Winuprasith等[50]以食品工业的废产物山竹（Garcinia mangostana L.）为原料，采用过氧化氢及高压均化器进行漂白、剪切提取纳米原纤化纤维素（NFC），并用NFC稳定的水包油型Pickering乳液研究对维生素D3的包封及递送作用的影响。同时利用模拟胃肠道模型研究NFC对脂质消化和维生素生物可接受性的影响，结果表明使用较低浓度的NFC，对脂质消化和维生素生物可接受性具有较小影响。这些信息都有助于从天然废物产品如山竹果皮中合理设计功能性食品。此外，因在食品应用中大多需要低油体积分数的水包油乳液，而未改性的NCC稳定的Pickering乳液存在存储不稳定性，若以化学改性或使用非天然成分结合NCC稳定的乳液则不适于在食品级产品中的应用。Bai等[51]研究了天然CNF在NCC稳定的Pickering乳液中的空位稳定作用，以期为绿色可食用的Pickering乳液开辟道路，通过添加CNF使得吸附在油/水界面处的NCC的低油相Pickering乳液得到稳定，同时利用两种纳米纤维素的协同作用来制备绿色天然的乳液。此项研究提出了使用CNF诱发的空位相互作用机理，可增强CNC在低油浓度（1.0%）Pickering乳液中的稳定性。

3.3 在材料工程中的应用

在Pickering乳液的基础上，通过模板法制备多孔材料也受到越来越多的关注，其中以纳米纤维素稳定的Pickering乳液制备绿色环境友好型高分子材料是目前研究的热点。这其中包括纳米填料、纳米复合泡沫、液芯胶囊和聚电解质薄膜等[52]。Steven等[53]报道了一种新型的泡沫，在制备出乳液后，通过控制乳液中的油相用量来控制液滴的尺寸，从而控制泡沫的孔径，并通过调整固体粒子来调整泡沫壁厚及强度。Blake等[54]使用改性大豆油作为油相形成W/O型高内相乳液（high internal phase emulsions，HIPE），并以疏水改性后的细菌纤维素纳米原纤维稳定乳液，成功制备了多孔且完全可再生的纳米纤维素/聚合物复合泡沫，其孔隙率高达76%。Svagan等[55]从木浆中分离制备短纤维素纳米纤维（＜1 μm，NFC）和 CNC 混合物，利用在 Pickering乳液液滴的O/W界面处的加聚反应成功地制备了NFC/CNC壳胶囊。其机械性能显示，在17 wt%NFC/CNC的负载下，有效胶囊弹性模量为4.8 GPa，比以前报道的再生纤维素胶囊高3个数量级（0.007 4 GPa），不仅纳米纤维素层的弹性模量增加，并且该液芯胶囊的结构稳定性也得到明显的增强。

4 总结及展望

纤维素提取原料来源丰富、价格低廉，可通过酸解法、酶解法、TEMPO氧化法、离子液体法和机械法制备纳米纤维素。其中酸水解虽耗时较短，但存在酸使用量大、污染环境的问题，在降低酸浓度的同时仍能获得大量纳米纤维素值得深入研究。以高压均质，微射流技术和超细研磨为代表的机械处理法虽然较为绿色，但存在能耗大、耗时久的问题。离子液体法作为一种“绿色溶剂”在溶胀纤维素及制备纳米纤维素方面有着很好的应用前景，但机理尚不明确。在纳米纤维素制备过程中，通过各种方法的耦合处理或许能够取长补短，获得优异效果。

纳米纤维素稳定的Pickering乳液的稳定性及生物相容性在食品药品及纳米材料的应用中展现了巨大的优势。但由于纳米纤维素强亲水性而只能制备O/W型乳液，目前的改性方法大多限制了其在食品领域中的应用，因此寻找高效、绿色的纳米纤维素修饰改性方法是拓宽其在Pickering乳液应用中的必备条件。鉴于Pickering乳液独特的结构，也可制造组织良好的基于纳米纤维素的聚合物复合高分子材料，如多孔纳米材料，薄膜，泡沫等。此外也有功能性聚合物与纳米纤维素共同应用于Pickering乳液，能够实现在其它领域的研究，比如在药物传送、营养输送等方面。同时，纳米纤维素作为天然纳米粒子，应充分利用其环境友好的优点，尤其是针对可食用原料中的纳米纤维素，采用不同溶液体系，将Pickering乳液的特点与（改性）纳米纤维素结合，制备出更多具有优良特性的新型皮克林乳液基材料，为食品和生物医学及材料工程的应用开辟新的创新途径。